荆江三口分流变化贡献率及其对三峡水库调度响应

发布时间：2020-01-18

　　摘要:为系统评估三峡水库调度对三口分流过程的影响，基于大量的原观数据，依据控制变量思想，通过对比分析及径流还原的方法，定量计算了三峡水库运行前后三口分流量减幅与各单一影响因子的贡献率。结果表明:①无论水库调度与否，天然来流都是分流量减少的首要因素。三峡水库运行以来，枝城站2003-2008年与2009-2015年平均径流量分别为4064、4128亿m3，远低于水库运行前的4453亿m3，超过60%的分流量减少都是天然来流偏枯所致。②三峡水库优化调度后，随着蓄水时间提前与起蓄水位提高，三口分流量进一步减少。2003-2008年，天然来流、水库调度、河床冲刷在分流量减少过程中贡献率分别为76.19%、10.32%、13.49%;而2009-2015年，三者贡献率分别为66.05%、19.75%、14.20%。

　　关键词:三口分流;贡献率;三峡水库;水库调度

　　0引言长江水沙通过松滋口、太平口、藕池口分泄进入洞庭湖，江湖关系十分复杂[1，2]。水交换是河湖关系演变的核心和载体[3-5]，荆江三口分流变化与河湖系统的洪涝灾害防治、水资源利用、生态环境保护息息相关。三口分流变化及其驱动机制一直都是科学界的热点问题[6-8]。

　　20世纪50-90年代，伴随调弦口建闸、下荆江裁弯、葛洲坝修建等大型水利工程的运行，长江干流冲刷加剧，三口分流洪道淤积，江湖关系发生了多次调整[9，10]。三口分流比由1956-1966年的29%减小至1999-2002年的14%[11]，湖区断流天数增加，干流洪量增大[12]。三峡水库于2003年蓄水，水文过程展现出明显的削峰补枯的特点。近期长江流域干旱问题日益突显，特别是2006与2011年，洞庭湖发生了极端干旱事件，三口分流再次成为社会关注热点。已有研究指出，2003-2008年，三口年均分流比相较蓄水前减少2.33%，湖区汛期水量较多年平均值减少20.2%[13]。受气候影响，2006年长江汛期流量较往年偏低20%～30%，洞庭湖一度成为“草原”[14，15]。朱玲玲[16]指出三口分流趋势性调整多由重大人类活动和特大洪水年诱发，三峡水库对三口分流的影响主要体现在年内流量的重新分配上。李景保[17，18]研究了江湖水位与三口分流能力关系，并利用1951-2010年水文数据分析了洪、中、枯不同典型年三口分流量的差异。还有许多学者通过数学模型对江湖关系调整趋势进行了模拟预测[19，20]。已有研究重点关注水库运行前后分流比变化及其驱动因素[21，22]，并取得了丰硕的成果[23-26]。然而，三峡水库运行以来，尤其是2009年优化调度后，汛期削峰、汛后蓄水以及枯期补水方案的调整，使三口分流量在年内不同季节发生了较大变化。加上湖南四水和三口分流在汛枯时机存在一定错位，洞庭湖区汛期防洪及枯期干旱问题仍然十分严重。因此，分析水库运行后，三口分流量在年内不同月份的变化，并系统研究天然来流、河床冲刷、水库调蓄等各单一因子在三口分流变化过程中的贡献率具有重要意义。本文基于大量实测数据，定量分析水库运行各阶段三口分流过程变化，综合评估各单一因子在分流变化过程中的贡献率。可对长江洞庭湖关系调整及流域规划治理提供技术支持。

　　1研究区域

　　长江全长约6300km，干流枝城至城陵矶河段称为荆江，以藕池口为界，分为上下荆江，荆江历史上曾发生两次自然裁弯及一次人工裁弯。上荆江由松滋口、太平口分流入洞庭湖，下荆江由藕池口分流入洞庭湖。洞庭湖是中国第二大淡水湖，坐落于湖南省，地处北纬28°～30°，东经110°～113°之间。湘江、资水、沅江、澧水与三口分泄的长江水沙，经调蓄后于城陵矶附近再次注入长江(图1)。可见荆江三口是连接长江与洞庭湖的纽带，三口分流可表征江湖水交换能力。

　　2研究数据及研究方法

　　2.1研究数据

　　本文水文资料来源于长江水利委员会与长江三峡集团公司，包括枝城站、新江口、沙道观、弥陀寺、康家岗、管家铺、三峡水库入库与出库月均流量。其中新江口及沙道观代表松滋口，弥陀寺代表太平口，康家岗及管家铺代表藕池口。松滋口、太平口、藕池口俗称荆江三口。

　　根据已有研究，三口分流趋势性变化往往由重大人类活动与特大洪水引起[27]，1956-1966年荆江三口分流比基本稳定在29.5%左右;在1967-1972年下荆江发生系统裁弯期间，河床冲刷、三口分流比减小;裁弯后的1973-1980年，荆江河床继续大幅冲刷，三口分流能力衰减速度有所加大;1981年葛洲坝水利枢纽修建后，三口分流比继续减小，但衰减速率有所减缓直到1999-2002年三口分流比衰减速率大幅降低，仅由1981-1998年的15.74%下降至14.04%，相对稳定(图2)。故在研究水库运行后2003-2008年、2009-2015年三口分流量变化时，均以1999-2002年作为基准。

　　2.2研究方法

　　天然来流差异(NF)与水库运行(HA)都会对三口分流能力产生影响，其中水库运行(HA)主要包括水库对径流过程的调蓄作用(TGPO)及对泥沙的拦截作用(RLR)。实测资料与已有研究均表明[16，21]，三口分流比与枝城流量具有良好的相关关系(图3)。

　　3、结果分析

　　3.1水库调蓄对洞庭湖分流过程的影响

　　三峡水库运行初期(2003-2008年)，水库调节对年内径流过程的“坦化”效应相对较弱(图4)。优化调度后(2009-2015年)，年内流量过程变化显著。将实测与还原的枝城月均流量分别代入公式(5)、(6)，可得到水库调蓄对整个分流过程的改变。

　　3.1.1汛期削峰调度

　　三峡水库自进入175m试验性蓄水期以来，陆续开展削峰调度试验。受气候影响，2010年三峡水库迎来运行后的首次大洪水，7月20日，瞬时入库流量高达70000m3/s。通过汛期的7次调度，最终成功将出库流量限制在40000m3/s以内，削峰流量最高达到30000m3/s。由于采取峰前预泄和峰后加大下泄流量的方式，因此6-8月总水量基本保持相对平衡，水库调度后6月份和8月份的流量较还原值略偏大，7月份偏小，说明实际削峰调度基本发生在7月份。汛期不同调度方式三口分流量变化计算结果如表1。计算结果表明，由于7月份三峡水库拦蓄洪峰，该时段三口分流量也有所减少。受三峡水库影响，2003-2008年，三口分流量在汛期年均减少2.23亿m3;2009-2015年，三口分流量在汛期年均减少4.81亿m3。

　　3.1.2汛后蓄水

　　期蓄水为了确保汛后三峡水库能够顺利达成175m蓄满的目标。根据2008-2009年的调度实践经验，三峡水库将汛后的起蓄时间调整至每年9月10日，从而达到利用汛后洪水资源的效果。起蓄时间的提前与起蓄水位的提高，致使蓄水期出库流量显著减小，沿程各水文站均受到影响。

　　9～11月实测流量与还原流量相比显著减小，分入洞庭湖水量也随之变化(见表2)。从计算结果可以看出，在2003-2008年期间，三峡水库按照139m或156m蓄水运行(2008年175m试验性蓄水)，因此，受三峡水库影响，三口分流量在汛后蓄水期年均减少10.52亿m3;2009-2015年，三峡水库均按照175m蓄水运行，该时期三口分流量减少更多，年均减少35.45亿m3。

　　3.1.3消落期补水调度

　　为了满足下游通航及用水需求，三峡水库于每年12月至次年5月对下游水量进行补偿。因此，枝城站的流量还原值均比实测值要偏小，与实际情况相符。通过对比发现，12-4月，荆江三口(新江口除外)的通流临界流量远高于长江干流流量，三峡水库枯期所补充的水量并不足以使其从断流状态转变为通流状态，因此三口分流量增大并不明显(见表3)。

　　每年5月，三峡水库往往增大下泄流量，以尽快腾空库容以应对将要到来的洪水，并尽可能排除水库淤积的泥沙。该措施致使水库调度后的枝城站5月份流量较还原值偏大1000m3/s以上，加上该时期干流流量都在11000m3/s以上，超过了三口开始通流的临界流量，因此2009-2015年5月分流量实测值较还原值多分流5.88亿m3。各站断流时相应枝城流量变化见表4。

　　3.2分流量变化贡献率计算

　　三峡水库运行后，水库拦截大量泥沙，坝下游中枯水河槽发生剧烈冲刷。枝城同流量下水位不断下降。从2003-2015年，15000m3/s的条件下，枝城水位已经下降了1.09m。而上述变化最直接的影响则是同流量下三口分流比发生了变化(表5)。

　　将蓄水后枝城实测流量过程代入公式(1)～(4)，定量计算得到运行初期及175m蓄水后，由于河床下切引起的分流量减少分别为17与23亿m3。

　　水库运行HA对三口分流量的影响，既包含水库对径流过程的调蓄作用TGPO，也包括对泥沙的拦截作用RLR对江湖分流能力产生影响。利用公式(7)～(12)，即可定量计算江湖系统中不同因素各自在分流量变化过程中所占贡献率(表6)。

　　计算结果表明，三峡水库蓄水后，江湖分流量减少，最主要原因是三峡水库运行以来，天然来水量远小于蓄水前，枝城站2003-2008年与2009-2015年平均径流量分别为4064、4128亿m3，远低于水库运行前的4453亿m3。与之对应，NF所占比重分别为76.19%与66.05%。而水库自2009年优化调度后，由于调度方式的大幅调整，水库调蓄影响所占比重有所增加，由运行初期的10.32%增高至19.75%，说明175m蓄水对三口分流量的减少产生了一定的影响。水库拦沙影响所占比重基本保持稳定，仅由13.49%变为14.20%。

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　　4结语

　　利用三峡工程运行以来的实测水文数据，采用对比分析及流量还原等方法，分析了三峡水库运行后，全年不同季节分流量的改变过程，在此基础上，定量计算了各单一影响因子在分流变化过程中的贡献率。得到以下结论。

　　(1)天然来流差异是造成三口分流量变化的最主要原因，其贡献率高达60%以上。近年来三口分流量减少，主要就是因为近期长江流域处于偏枯水年份。

　　(2)三峡水库调蓄改变了三口分流的年内过程，其中汛后蓄水期对分流量的减少最为显著。2009年后由于蓄水时间的提前与起蓄水位的抬高，水库调度造成的分流量变化贡献率由10.32%(2003-2008年)上升至19.75%(2009-2015年)。汛后蓄水将增加三口洪道断流天数，对居民及生产用水产生了一定影响。

　　(3)三峡水库自2003年运行后，坝下游河道枯水河槽大量冲刷，枝城站中枯水流量水位降幅明显。河床冲刷在三口分流变化中的贡献率为13.49%(2003-2008年)与14.20%(2009-2015年)。